電控柴油機應用于農(nóng)業(yè)機械存在的問題及對策

白海+李仕存+孟利清+何超

摘要：為了滿足日趨嚴格的非道路排放法規(guī)和經(jīng)濟性的要求，探究當前農(nóng)用柴油機的發(fā)展趨勢，對國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械配套動力現(xiàn)狀進行了分析論證，應用對比分析法將我國和歐美等發(fā)達國家進行對照，找出了我國農(nóng)業(yè)機械配套動力技術(shù)與國外的差距。結(jié)果顯示，國內(nèi)電控柴油機應用于農(nóng)業(yè)機械存在一系列的問題，必須通過一定的措施，大力推進電控柴油機在農(nóng)業(yè)機械中的應用。電控化將是農(nóng)用柴油機發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：電控柴油機;農(nóng)業(yè)機械;排放標準;農(nóng)機購置補貼;問題;對策

中圖分類號： S232 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0375-03

收稿日期：2014-05-08

基金項目：國家自然科學基金（編號：51266015）;云南省教育廳科學研究基金（編號：2013Z081）。

作者簡介：白 海（1982—），男，河南鄭州人，碩士，助教，主要從事載運工具運用及車身修復研究。E-mail：www512iyl@126.com。

通信作者：孟利清，博士，教授，碩士生導師，主要從事交通運輸及物流管理與工程研究。E-mail：1341288094@qq.com。

近年來，我國加強了對非道路移動機械用柴油機尾氣排放的監(jiān)管和治理[1]，為了適應環(huán)境保護的要求，國家環(huán)境保護部和質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局已于2014年5月發(fā)布了國家污染物排放標準——《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》。該標準規(guī)定，自2014年10月1日起，凡進行排氣污染物排放型式核準的非道路移動機械用柴油機都必須符合非道路國Ⅲ排放標準;自2015年10月1日起，我國所有制造和銷售的非道路移動機械用柴油機的排放必須符合非道路國Ⅲ排放標準;自 2016 年4 月 1 日起，所有制造、進口和銷售的非道路移動機械應裝用符合非道路國Ⅲ排放標準的柴油機。

我國農(nóng)業(yè)機械的動力能源約80%來自柴油機，作為非道路移動機械尾氣排放治理的重點[2-3]，農(nóng)業(yè)機械節(jié)能減排最直接、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是做好農(nóng)用柴油機的節(jié)能減排工作[4]。農(nóng)用柴油機從非道路國Ⅱ排放標準升級到國Ⅲ，燃油供給系統(tǒng)要發(fā)生本質(zhì)的變化，需從傳統(tǒng)的機械燃油供給系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娍馗邏喝加凸┙o系統(tǒng)，這將大幅提升柴油機燃油噴射的壓力，對相關(guān)零部件的強度要求更高。

1 國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機械配套動力的現(xiàn)狀分析

1.1 國外農(nóng)業(yè)機械配套動力的現(xiàn)狀

當前國際著名的農(nóng)機企業(yè)有約翰迪爾公司、凱斯紐荷蘭公司、久保田公司、愛科公司等，現(xiàn)以這些企業(yè)為例，分析國外農(nóng)業(yè)機械配套動力的現(xiàn)狀。

約翰迪爾公司是全球第一大農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)，該公司已推出代號為8R和8RT 的智能拖拉機，其配套動力均為PowerTech 9.0 L發(fā)動機，能夠滿足EPA Tier 4排放標準。這些采用EGR （廢氣再循環(huán)）技術(shù)和排氣過濾器的線性的雙渦輪增壓六缸發(fā)動機，在正常操作的同時，能夠完成尾氣凈化功能。數(shù)據(jù)通訊和遠程監(jiān)控系統(tǒng)使新的8R系列拖拉機變得更加智能化，當拖拉機在使用中出現(xiàn)問題時，經(jīng)銷商處的技術(shù)人員可以遠程發(fā)現(xiàn)問題，并確定它的位置，進而積極地尋求應對故障的策略。

在美國 “2010年農(nóng)業(yè)進步展”上，致力于清潔能源動力的凱斯紐荷蘭公司，首次展出了其NH2（tm）型氫能源拖拉機。該拖拉機摒棄了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，采用氫燃料電池來發(fā)電，最高動力能夠達到106馬力。氫能源拖拉機在工作時只排放熱量和水蒸汽，而不會像柴油機那樣產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物、顆粒物及碳氫化合物等有害成分，因而具有零排放的特點。它在工作時幾乎是無聲的，所以也不會產(chǎn)生噪聲污染。在清潔能源領(lǐng)域，紐荷蘭公司一直占據(jù)著領(lǐng)導地位，公司旗下約85%的產(chǎn)品對于生物柴油能夠100%的兼容。

日本久保田拖拉機公司在2010年宣布，同意其在美國市場上銷售的部分產(chǎn)品使用“B20”生物柴油燃料。“B20”生物柴油燃料能夠降低對環(huán)境的損害，其生物油含量最多占到20%，普通石化柴油含量最低占80%。這種靈活的燃料選擇，使得柴油發(fā)動機可以發(fā)揮其最高的效率和性能。燃用可再生生物質(zhì)燃料和多種燃料是當前內(nèi)燃機研發(fā)的熱點之一，因此，久保田公司推出了可用柴油和壓縮天然氣的雙燃料發(fā)動機，該發(fā)動機在工作時，可以根據(jù)工況的需求，選擇不同的燃料供給系統(tǒng)[5]。

愛科公司提出了基于能源（energy）、生態(tài)（ecology）與經(jīng)濟（economy） 的“E3”概念。它是世界上首家把SCR（選擇性催化還原）技術(shù)應用于拖拉機上的廠家。SCR技術(shù)可以讓工程師將精力集中在汽缸優(yōu)化可燃燒微粒的數(shù)量和效率方面，而不必擔心尾氣的排放，因為排出的尾氣會由特制的凈化裝置進行處理。柴油機采用SCR技術(shù)后，其性能更好，運行更安靜，不會出現(xiàn)過熱，工作持續(xù)時間更長。它還擯棄了復雜的柴油顆粒物過濾器的需求。經(jīng)測試，新發(fā)動機能夠節(jié)省10%以上的燃油消耗。此外，針對甘蔗農(nóng)場客戶，愛科公司正在研發(fā)雙燃料發(fā)動機，這種發(fā)動機所使用的燃料是柴油和乙醇的混合物。這種雙燃料發(fā)動機技術(shù)為未來可能應用于農(nóng)業(yè)機械的新能源的使用開拓了思路。

綜上分析，發(fā)達國家由于較早地執(zhí)行了非道路排放法規(guī)，目前北美國家執(zhí)行EPA Tier 4標準，歐盟國家執(zhí)行Stage Ⅳ標準，因而這些國家大型農(nóng)業(yè)機械配套的柴油機大多采用四氣門、VGT （可變截面渦輪增壓器）和電控燃油噴射系統(tǒng)（如高壓共軌）等技術(shù)，在尾氣處理方面主要是采用SCR（選擇性催化還原）和EGR（廢氣再循環(huán)）+DPF（顆粒捕集器）這樣2種比較成熟的技術(shù)方案[6-7]。另一方面，為了適應當前石油短缺的局而，許多農(nóng)機企業(yè)開始關(guān)注石油替代能源動力系統(tǒng)的研發(fā)。

1.2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械配套動力的現(xiàn)狀

中國國際農(nóng)業(yè)機械展覽會是亞洲第一大農(nóng)機展，2013年在青島舉辦的該展覽會上，參展的東方紅-LF2204型拖拉機、約翰迪爾7M-2204型拖拉機、奇瑞谷王4LZ-8F（8000A）型聯(lián)合收獲機、雷諾曼-2104型拖拉機等19個農(nóng)機產(chǎn)品榮獲優(yōu)秀新產(chǎn)品獎，這些農(nóng)機產(chǎn)品充分體現(xiàn)了我國農(nóng)機行業(yè)的技術(shù)進步。endprint

五征集團生產(chǎn)的雷諾曼-2104型拖拉機配套道依茨WP6T200E22發(fā)動機，達到非道路國Ⅱ排放標準，它性能先進，動力強勁，扭矩儲備大，經(jīng)濟效益高，采用德國博世力樂電液控制提升系統(tǒng)，帶倒車影像、CAN BUS總線和帶底盤故障診斷系統(tǒng)，并可選裝GPS定位系統(tǒng)。

由約翰迪爾（中國）投資有限公司生產(chǎn)的7M-2204型拖拉機采用約翰迪爾6.8升高壓共軌中冷6缸渦輪增壓發(fā)動機，它馬力強勁，扭矩儲備高達40%，工作耐久可靠，采用 390 L 超大油箱，可保證連續(xù)工作16 h。

為了滿足國內(nèi)大型農(nóng)場及高端客戶的需求，一拖集團開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的220馬力的大功率輪拖產(chǎn)品——東方紅-LF2204輪式拖拉機。該產(chǎn)品搭載了滿足非道路歐Ⅲ排放標準的電控柴油機、一拖法國公司生產(chǎn)的帶電控負載換檔及負載換向傳動系、電控PTO（額外動力輸出）、TCU（傳動系控制器） 、閉心負荷傳感電控液壓提升系統(tǒng)、液晶顯示數(shù)字儀表、基于CAN2.0B的總線技術(shù)、帶懸浮的空調(diào)駕駛室等國際先進輪拖技術(shù)，在國內(nèi)農(nóng)機產(chǎn)品中采用的高新技術(shù)最多。其動力總成為東風康明斯QSB6.7全電控高壓共軌增壓中冷柴油機，扭矩儲備25%以上，油耗低，排放滿足非道路車輛歐Ⅲ要求，并可升級到歐Ⅳ標準。

近年來，一拖集團通過與國際著名的一流研發(fā)機構(gòu)——英國利卡多等公司的合作，保持了核心技術(shù)與國際同步，研發(fā)的電控柴油機，如東方紅-YM6K5UFH柴油機和東方紅-YM6K7UFH柴油機，均采用先進的電控單體泵技術(shù)，排放達到非道路歐ⅢA標準，整機達到了國內(nèi)同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平。

綜上分析，隨著我國非道路國Ⅱ排放標準的實施，農(nóng)用柴油機實現(xiàn)了產(chǎn)品的技術(shù)升級，農(nóng)業(yè)機械排放的污染物有所降低，部分企業(yè)已開始研發(fā)滿足未來非道路排放標準的農(nóng)用電控柴油機，但與歐美相比還有很大的差距，農(nóng)用柴油機節(jié)能減排的形勢依然嚴峻[8]。因此，必須大力推進電控柴油機在農(nóng)業(yè)機械中的應用。

2 電控柴油機應用于農(nóng)業(yè)機械存在的問題

2.1 國產(chǎn)燃油噴射技術(shù)的研發(fā)滯后

國外十分重視先進燃油供給系統(tǒng)的研發(fā)，且往往領(lǐng)先于內(nèi)燃機、汽車和農(nóng)機的開發(fā)。然而，我國由于燃油供給系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)比較差、市場過分強調(diào)低價格、技術(shù)進步的推動力不足等原因，研發(fā)工作的重視程度不夠，投入不高，因此國產(chǎn)燃油噴射技術(shù)的研發(fā)總是滯后于內(nèi)燃機的發(fā)展，不能很好地滿足內(nèi)燃機的配套要求，這在一定程度上制約了我國內(nèi)燃機、汽車和農(nóng)機工業(yè)的發(fā)展。雖然，通過引進國外先進技術(shù)的方法，可以迅速提高我國柴油機的技術(shù)質(zhì)量，但是國外柴油機價格較高，即使利用國內(nèi)廉價的勞動力，也難以降到目前我國農(nóng)民可以承受的價格范圍。

2.2 農(nóng)民收入有限，國家財政補貼不足

我國農(nóng)民的經(jīng)濟收入較低，根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2013年我國農(nóng)村居民人均純收入為8 896元，因此農(nóng)民沒有足夠的資金用來購置新型農(nóng)業(yè)機械化裝備。自2004年農(nóng)機購置補貼政策實施以來，中央財政連年大幅度增加補貼資金。如圖1所示，國家財政投入、農(nóng)機購置補貼、農(nóng)民個人投入金額都在逐年增長，其中，財政投入年平均增長率為35.6%，農(nóng)機購置補貼年平均增長率為216.3%，農(nóng)民個人投入年平均增長率為11.2%。然而，目前農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展對財政投入的依存度僅為10.4%，絕大部分投入仍靠農(nóng)民個人的籌措[9]，這在很大程度上對農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展起到了制約作用，需要繼續(xù)加大農(nóng)機方面的財政投入力度。

另一方面，農(nóng)用柴油機機排放標準由國Ⅱ升級到國Ⅲ，由于配置水平有所提高，材料的價格成本在一定程度上有所提升。經(jīng)統(tǒng)計，各系列柴油機成本的增加為10%～25%[10]，如果將這些增加的成本全都轉(zhuǎn)嫁給消費者，將會使廣大農(nóng)機用戶承受經(jīng)濟方面的沉重負擔。

2.3 燃油品質(zhì)阻礙排放標準的順利實施

目前，我國機動車和非道路移動機械排放標準難以升級的一個重要原因是燃油品質(zhì)的影響。從實施國Ⅱ排放標準以來，油品質(zhì)量均不能保證排放標準的順利執(zhí)行[11]。只有改善油品質(zhì)量，才能有效地降低農(nóng)業(yè)機械污染物的排放。由于國內(nèi)燃油含硫量較高，國外現(xiàn)有的后處理過濾技術(shù)無法應用于國內(nèi)電控柴油機，我國的石油行業(yè)已經(jīng)嚴重阻礙了電控柴油機在機動車和非道路移動裝置上的應用。不可否認，我國石油行業(yè)獲得的利潤多數(shù)是壟斷性質(zhì)的，國家必須加大對它的改革。

2.4 農(nóng)業(yè)從業(yè)人員素質(zhì)和技能水平普遍較低

和發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的文化素質(zhì)偏低，農(nóng)民對尾氣治理的認知度有限，節(jié)能觀念意識淡薄。由于農(nóng)機操作人員對新型農(nóng)機技術(shù)的了解有限，在實際的使用中，操作不規(guī)范，技巧不嫻熟，影響機械的有效運轉(zhuǎn)，造成不必要的磨損和能源浪費，縮短了農(nóng)業(yè)機械的使用壽命，進而提高了機械化作業(yè)的成本。此外，在我國當前的農(nóng)機技術(shù)培訓中存在的突出問題有教學基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、師資隊伍技能素質(zhì)偏低、培訓內(nèi)容相對滯后、培訓方法不夠靈活和服務功能弱等。

3 推進電控柴油機應用于農(nóng)業(yè)機械的措施對策

3.1 加大自主研發(fā)力度，適當引進國外先進技術(shù)

農(nóng)民是農(nóng)用柴油機的主要使用對象，生產(chǎn)效率不高，經(jīng)濟實力低，農(nóng)機以個人購買為主，這是我國農(nóng)村當前的狀況[12]，即使到20世紀中期，我國廣大農(nóng)村地區(qū)和目前工業(yè)發(fā)達國家農(nóng)村的水平仍有很大的差距。為了滿足國家規(guī)定的排放、噪音和煙度等環(huán)保標準，在對農(nóng)用柴油機進行技術(shù)改進和提高時，首先要考慮的是當前階段農(nóng)村的實際情況和農(nóng)民能夠接受的程度[13]。因此在開發(fā)柴油機新機型及新技術(shù)時，要腳踏實地，從我國的實際情況出發(fā)，走自主研發(fā)之路，另一方面，為了保持核心技術(shù)與國際同步，可以適當引進國外先進機型，采取合資合作生產(chǎn)的方式。

在技術(shù)措施方面，能夠通過我國非道路柴油機國Ⅲ排放法規(guī)的技術(shù)方法有6種，即電控分配泵、電控單體泵、電控泵噴嘴、電控直列泵+冷卻EGR、機械直泵+冷卻EGR以及電控高壓共軌[14]。為了更好地促進農(nóng)用柴油機的發(fā)展，內(nèi)燃機工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃將發(fā)展經(jīng)濟性好、適應性強、可靠性高，為各種農(nóng)業(yè)機械配套的環(huán)保和節(jié)能型柴油機作為重點發(fā)展領(lǐng)域，并且將電控組合式單體泵、電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)、能承受160 MPa以上高動態(tài)響應的噴油器總成等作為重點發(fā)展的產(chǎn)品。endprint

3.2 實施農(nóng)機化財政傾斜政策

農(nóng)業(yè)是一個需要重點扶持的行業(yè)，農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展需要國家對其進行充足的資本投入。世界各國紛紛大力補貼農(nóng)業(yè)投資，扶持農(nóng)業(yè)發(fā)展[15]（表1）。此外，一些發(fā)達國家還對農(nóng)機化發(fā)展實行減免稅收、低息和貼息貸款等方式進行補充，有力地調(diào)動了農(nóng)民使用先進農(nóng)機的積極性。例如，美國政府對農(nóng)用柴油實行免稅政策;在德國，政府以市場價50%的價格供應柴油給農(nóng)民使用，農(nóng)戶可通過分期付款和冬季購買價等優(yōu)惠方式購買農(nóng)機;在澳大利亞，收入不足1.6億澳元的農(nóng)場主可以享有減免所得稅等優(yōu)惠政策，政府對需要進口的農(nóng)機設(shè)備在關(guān)稅上予以優(yōu)惠[16-17]。這些農(nóng)機化財政傾斜政策都是值得我國借鑒的。

表1 各國農(nóng)業(yè)扶持政策比較

國家 農(nóng)業(yè)扶持政策

法國 20世紀50年代，農(nóng)機購置補貼20%～30%

日本 20世紀60年代，農(nóng)機購置政府補貼60%～80%

韓國 20世紀80年代，政府對農(nóng)機購置提供60%的補貼

美國

歷屆政府對農(nóng)業(yè)的扶持力度都超過制造業(yè)等傳統(tǒng)行業(yè)，目前，政府通過各種補貼計劃，向農(nóng)民發(fā)放的補貼約占其收入的1/4左右

巴基斯坦

2010年，政府為農(nóng)用機械設(shè)備進口提供50%的補貼，以盡早實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入

3.3 改善燃油品質(zhì)，并發(fā)展替代燃料

為了保證機動車和非道路移動機械排放標準的順利實施，石化工業(yè)必須努力提高燃油標準，盡快改善燃油品質(zhì)，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的低硫柴油[18]。對有利于提高燃油品質(zhì)的裝置改造及建設(shè)項目，政府要在政策上給予支持。此外，農(nóng)機、環(huán)保、燃料生產(chǎn)部門應加強合作，制定規(guī)劃，促進農(nóng)機、燃料和環(huán)保相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，并通過國家宏觀調(diào)控和立法來推動我國燃油品質(zhì)的健康發(fā)展。

據(jù)國土資源部在《中國礦產(chǎn)資源報告（2013）》中披露，2012年底，我國石油剩余技術(shù)可采儲量僅有33.3億t左右，按照當年2.05億t的產(chǎn)量估算，只能開采16年左右，我國的石油儲量明顯不足，因此要大力發(fā)展替代燃料等相應的技術(shù)。我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村能源的開發(fā)領(lǐng)域十分廣闊，如生物質(zhì)能、太陽能和風能等，這些都是清潔的、可持續(xù)的能源，可以根據(jù)各地實際情況，適當?shù)赝茝V混合動力裝備 （天然氣動力）以及代用能源，如沼氣、乙醇等，這對減少不可再生能源消耗，推動新能源開發(fā)以及優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)具有極其重要的意義[19]。

3.4 加強農(nóng)業(yè)從業(yè)人員教育培訓體系的建設(shè)

要加強我國農(nóng)機職業(yè)培訓和技能鑒定工作，整合資源，多方投入，通過借助農(nóng)機企業(yè)、職業(yè)院校和科研單位等技術(shù)力量，開展多方面的農(nóng)機教育和培訓。由于電控柴油機與傳統(tǒng)的農(nóng)用柴油機在使用和維修方面都有本質(zhì)的不同，因此，需要開展些宣傳、推廣、教育等工作，使用戶在觀念上接受電控柴油機的這些特點。此外，為了保證電控柴油機的正確使用和保養(yǎng)，也要針對操作維護人員開展一系列專業(yè)的培訓[20]。

4 結(jié)論

農(nóng)用柴油機的主要使用對象是農(nóng)民，我國農(nóng)民的經(jīng)濟收入仍然較低，因此發(fā)動機和農(nóng)機制造企業(yè)要根據(jù)我國農(nóng)村的實際情況，發(fā)展適合我國國情的電控節(jié)能技術(shù)，促進農(nóng)用柴油機技術(shù)的進步。

從長遠來看，為了滿足日趨嚴格的非道路排放法規(guī)和經(jīng)濟性的要求，采用電控柴油機將是農(nóng)業(yè)機械配套動力發(fā)展的必然趨勢。但是在短期內(nèi)，從政府到農(nóng)機制造產(chǎn)業(yè)還需要為農(nóng)用柴油機的電控化創(chuàng)造更好的環(huán)境，農(nóng)機制造企業(yè)需要開展廣泛的宣傳和教育工作，并在農(nóng)用電控柴油的研發(fā)和制造方面適當引進國外先進技術(shù)。相信在不遠的未來，我國生產(chǎn)的新型農(nóng)業(yè)機械一定能夠配套節(jié)能環(huán)保的現(xiàn)代電控柴油機。

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